수소 전해조(Electrolyzer)의 효율성 극대화
고성능 유체 시스템으로 수소 전해조의 효율성 최적화
수소는 커다란 잠재성이 있는 저탄소 에너지원으로 계속 입지를 넓히고 있습니다. 다음은 한 가지 증거입니다. 유럽 위원회(EC)는 2030년까지 유럽 연합 내에서 1000만 톤의 재생 수소를 생산하고 1000만 톤을 수입할 계획입니다.1 중국의 경우, 2023년 전해조(Electrolyzer) 수요가 2GW를 조금 넘는 정도였지만, 2028년까지 이 수요가 40GW로 성장할 것으로 예상됩니다.2
수소가 주류 에너지원으로 자리 잡으려면 용량 증가와 안정적인 생산이 필수입니다. 이를 달성하는 과정은 수소 생산 시설의 핵심인 최적화된 전해조에서 시작합니다. 전해조는 물과 전기를 수소와 산소로 변환하는 중요한 작업을 담당합니다. 전해조의 효율성과 효과를 극대화하려면, 전해조에 물을 안정적으로 공급하고 발생된 수소와 산소 가스를 효율적으로 배출할 수 있어야 합니다.
이는 새로운 수소 생산 시설을 설계할 때 이러한 기능을 수행하는 유체 시스템이 극도로 중요함을 의미합니다. 유체 시스템이 수소 생산 시설의 안전, 생산성, 수익성에 얼마나 커다란 영향을 줄 수 있는지 살펴보겠습니다.
수소 전해조에는 어떤 종류가 있습니까?
수소 생산 분야에서 중요한 두 가지 전해조 설계 유형은 다음과 같습니다.
양성자 교환막(PEM, Proton Exchange Membrane) 전해조: PEM 전해조는 전기 전도에 액체 형태가 아니라 고체 전해질을 사용합니다. PEM 전해조는 일반적으로 AEL 전해조에 비해 효율성이 더 높고, 유지보수가 덜 필요하며, 점유 공간이 더 작습니다. 하지만, PEM 전해조는 백금과 같은 귀금속이 필요하므로 운영 비용이 더 많이 듭니다.
귀사 시설에 어떤 기술이 배치되어 있든, 유입되는 용수와 배출되는 수소 및 산소 가스를 처리하고 관리하려면 견실한 유체 시스템이 필요합니다.
수소 생산에 대한 심층 탐구
Everfuel이 어떻게 수소 생산 및 저장에 최적화된 고성능 유체 시스템을 사용하여 "수소 솔루션 실현"이라는 과제를 해결했는지 알아보십시오.
유체 시스템 설치 중의 누설 완화
새로운 수소 생산 설비가 가동 단계에 가까워지면, 모든 핵심 유체 시스템이 공장 인수 시험(FAT) 대상이 됩니다. 이 과정에는 공급업체 시설에서 진행되고 문서화되는 시스템(또는 주요 부품)의 검사와 장비 적격 테스트가 포함됩니다. 수소 유체 시스템의 경우, 흔히 시스템을 통해 양성 테스트 유체(일반적으로 헬륨, 헬륨과 질소 혼합물 또는 수소와 질소 최대 5%의 혼합물)를 점점 더 높은 압력으로 흐르게 함으로써 누설 위치와 분량을 결정하는 과정이 필요합니다.
물이 수소 전해조로 흘러 들어가는 경우와 같은 소량의 누설이라도 전해조 비효율성을 유발할 수 있습니다. 또한, 공정에서 산소와 수소가 배출되므로, 누설이 소중한 제품 손실로 이어질 수 있으며 잠재적으로 안전 위해 요소를 발생시킬 수 있습니다. 이러한 누설 문제를 해결하는 데에는 시간이 걸립니다. 적절한 설계를 통해 시작 단계부터 누설을 최소화하면 새로운 수소 생산 시설을 성공적으로 설치하는 데 도움이 됩니다.
FAT 도중 누설이 감지되었다면…
- 테스트 과정을 중단해야 합니다
- 시스템을 퍼지해야 합니다
- 운영업체가 누설 지점을 식별해야 합니다
- 수동 조치를 통해 누설을 수리해야 합니다
- 테스트를 다시 시작해야 합니다
현장에서 전하는 말
Ana Dominguez, Swagelok Company 엔지니어링 서비스 관리자
“시스템을 가동할 때 누설이 발생하는 가장 흔한 이유 중 하나는 부적절한 설치입니다. 이는 수소 생산 시설뿐 아니라 유체 시스템이 운영에 중요한 부분을 차지하는 거의 모든 시설에 해당되는 사항입니다. 수소 생산업체가 가동 도중 비용을 최소화하려 한다면, 설치 교육이 커다란 효과를 발휘할 수 있습니다. 적절한 지식과 모범 사례를 갖춘 설치업체라면 누설로 이어질 수 있는 종류의 오류를 피할 수 있는 가능성이 높습니다. ”
이 모두는 플랜트를 가동하기도 전에 예기치 못하게 막대한 재작업 시간과 재료 비용이 발생하는 결과로 이어질 수 있습니다. 누설과 관련 비용을 완화하려면, 유체 시스템 설치 교육을 최대한 활용하는 것이 유익할 수 있습니다. 설치 도중 인정된 모범 사례를 따르면 가동 테스트 도중 문제 발생과 비용이 많이 드는 주요 유체 시스템의 재작업을 피할 수 있습니다.
깨끗한 수소 생산 유지
수소 생산용 전해조에서 생산되는 가스 순도가 최종 사용 애플리케이션에 일반적으로 필요한 99.9%에 도달하는 것은 필수적인 사항입니다. 이러한 수준의 순도를 유지하려면 전해조 자체뿐 아니라 배출 유체 시스템도 중요합니다.
이것은 굉장히 어려운 문제이기도 합니다. 전해 공정에 본질적인 높은 수준의 온도와 습도는 품질이 낮은 스테인리스강에 부식을 일으키는 원인이 되며, 이에 따라 전해조에서 저장 탱크로 운반되는 도중 수소 생산물이 오염될 수 있습니다. 튜브나 피팅이 심하게 부식되면 장애가 발생할 가능성이 높아지므로 부식은 안전 문제이기도 합니다.
순도를 유지하기 위해 적용할 수 있는 전략이 몇 가지 있습니다. 고품질 가스 그랩 샘플링 시스템을 사용하여 수소 생산물의 순도 수준을 정기적으로 분석하고 모니터링해야 합니다. 또한, 확신할 수 있는 재질 선택도 중요합니다. ASTM 표준보다 크롬과 니켈 함량이 더 높은 고품질 스테인리스강은 부식과 수소 취성에 대한 저항성이 훨씬 더 뛰어납니다.
전해조 생산성 극대화
고품질 유입 및 배출 유체 시스템을 적합하게 설치하면 수소 전해조의 잠재력을 최대한 활용하여 생산성을 극대화할 수 있습니다.
누설 없는 밀폐를 통해 공장 인수 시험(FAT) 도중 비용이 많이 드는 재작업을 피할 수 있을 뿐더러, 더 오랜 기간 동안 예기치 못한 유지보수 문제와 관련 가동 중단을 예방할 수 있습니다. 안정적인 유입과 깨끗한 배출을 확보하면, 생산 시설의 수명 전반에 걸쳐 공정 효율성을 유지하고 총 소유 비용을 절감할 수 있습니다. 이는 전해조를 뒷받침하는 유체 시스템을 최적화해야 할 또 다른 이유입니다.
시설을 더 빠르고 안전하게 가동하고 장기 생산성을 확보하려면 생산 시작 단계부터 수소에 맞게 특별하게 설계된 고품질 부품과 조립체를 선정하는 것이 중요합니다. 도움이 필요하다면, 수소 시스템 설계 경험이 많은 유체 시스템 부품 공급업체에 문의하십시오.
현장에서 전하는 말
Knut Marker, Swagelok Norway 기술 영업 자문
“수소 생산은 정말로 새로운 첨단 분야입니다. 새로운 플랜트를 안정적이고 비용 효율적으로 온라인 상태로 만드는 데에는 확립된 청사진이 없습니다. 하지만, 우리는 수소 생산에 신뢰성 높은 유체 운반이 중요하며, 수소 플랜트의 누설, 안전 과제, 유지보수 문제를 최소화할 수 있는 입증된 모범 사례를 적용하는 것이 기본 규칙임을 알고 있습니다. ”
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